Globalny popyt na urządzenia elektroniczne i pojazdy elektryczne ma nadal rosnąć i ulegać dywersyfikacji w nadchodzących latach. Ten wzrost popytu wymaga wydajnych baterii o zwiększonej wydajności, wydajności i bezpiecznych technologiach magazynowania. Baterie litowo-jonowe (LIB) rządzą tym sektorem baterii jonowych wtórnych od ponad trzech dekad. Jednak podaż litu stopniowo spada z powodu obaw o niezrównoważone praktyki wydobywcze, wysokie koszty i nierównomierny rozkład geograficzny.
Doprowadziło to badaczy i przemysł do znalezienia alternatywy dla LIB. Obiecującym kandydatem są baterie sodowo-jonowe (SIB), ponieważ sód występuje obficie w naturze, jest opłacalny i ma wysoki potencjał elektrochemiczny. Jednak przed wdrożeniem ich do zastosowań komercyjnych należy rozwiązać pewne problemy. Po pierwsze, promień jonowy sodu jest większy niż litu, co powoduje powolną kinetykę jonów i komplikacje w stabilności fazowej i tworzeniu interfazy. Po drugie, istnieje potrzeba opracowania elektrod, które są kompatybilne i zapewniają wysoką wydajność nie tylko z LIB, ale także SIB. Ponadto materiały na bazie węgla stanowią obiecujące elektrody dla LIB i SIB, ale nie są pozbawione własnego zestawu wad.
Aby pomóc w poprawie wydajności i stabilności elektrod, profesor Noriyoshi Matsumi z Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) w Japonii wraz ze swoim doktorantem Amarshi Patra w JAIST, przenieśli swoją uwagę na spoiwa polimerowe do produkcji elektrod w SIB. W swoim ostatnim badaniu opublikowanym w Zaawansowane materiały energetyczne 12 września 2024 r. opracowali nową, gęsto funkcjonalizowaną i rozpuszczalną w wodzie poli(ciecz jonowa), poli(oksykarbonylometyleno-1-allilo-3-metyloimidazolium) (PMAI) i przetestowali jej zdolność wiązania LIB i SIB. Oparta na PMAI anodowa półogniwo wykazała doskonałe parametry elektrochemiczne i stabilność cykliczną. „Na całym świecie wzrosło zapotrzebowanie na materiały umożliwiające szybkie rozładowanie i rozwiązywanie problemu powolnej kinetyki dyfuzji jonów sodu. To spoiwo na bazie polimeru z gęstymi grupami funkcyjnymi cieczy jonowej działa jako składnik wysokowydajnych systemów elektrod w SIB” — wyjaśnił prof. Matsumi, zapytany, co wyróżnia ten nowy materiał.
Aby przetestować skuteczność nowego materiału PMAI, naukowcy użyli go jako spoiwa anody grafitowej i spoiwa anody z twardego węgla w LIB i SIB. Wyniki oceny elektrochemicznej wykazały, że anodowe półogniwo na bazie PMAI wykazało wyjątkową wydajność elektrochemiczną, wysokie pojemności (297 mAhg-1 przy 1C dla LIB i 250 mAhg-1 i 60 mg-1 dla SIB) i znakomitą stabilnością cyklu z 96% zachowaniem pojemności po 200 cyklach dla SIB i 80% zachowaniem pojemności po 750 cyklach dla LIB.
Ponadto wyniki eksperymentów wykazały poprawę współczynnika dyfuzji jonów, niższą rezystancję i energię aktywacji, co przypisuje się gęsto polarnym grupom cieczy jonowej i tworzeniu funkcjonalizowanej międzyfazy stałego elektrolitu poprzez redukcję spoiwa.
Poprawa wydajności i stabilności, widoczna w badaniu całego ogniwa z PMAI jako spoiwem anodowym, jest dowodem potencjału nowego materiału jako spoiwa do zastosowań w bateriach jonowych wtórnych. „Ta klasa materiałów zostanie przyjęta w systemach magazynowania energii do szybkiego ładowania w zastosowaniach komercyjnych, ponieważ spoiwo to promuje lepszą dyfuzję jonów sodu. To badanie zachęci do opracowywania bardziej zaawansowanych materiałów, torując drogę nowym urządzeniom elektronicznym zasilanym jonami sodu i pojazdom elektrycznym” — podsumowuje prof. Matsumi.
„Opracowana nowa ciecz polijonowa jest nową klasą materiałów. Ciecze polijonowe były intensywnie badane pod kątem różnych zastosowań, takich jak urządzenia do magazynowania energii, zastosowania biochemiczne, zastosowania czujnikowe, zastosowania katalityczne itp. Nasz nowy polimer funkcjonalizowany gęstą cieczą jonową ma potencjalne zastosowanie w wyżej wymienionych różnych dziedzinach badań”.
